阅读说明：本技术 一种同心环型大面积硅漂移探测器、设计方法及应用 (Concentric ring type large-area silicon drift detector, design method and application ) 是由 李正 母恒恒 刘曼文 于 2019-11-01 设计创作，主要内容包括：本发明属于探测器技术领域,公开了一种同心环型大面积硅漂移探测器、设计方法及应用,计算探测器的电极和电阻的宽度分布；计算硅漂移探测器电场电压分布；确定漂移电场和漂移时从点S1到点S2的最佳漂移路径；确定硅漂移探测器后表面的设计；漂浮电极的设计。本发明对SDD载流子漂移行为规律与重掺杂电极生长的分析。设计具有双面相关的既保持均匀电子漂移电场又提供平滑漂移轨迹的双面电极,建立强度在0.5～15keV软X射线粒子的高能量分辨率、高效收集SDD的创新设计制作方式。在同心圆型的硅漂移探测器电极之间利用ALD技术沉积一层分压电阻,使同心圆型的探测器在不需要外加分压器的情况下可正常工作。(The invention belongs to the technical field of detectors, and discloses a concentric ring type large-area silicon drift detector, a design method and application, wherein the width distribution of electrodes and resistors of the detector is calculated; calculating the electric field voltage distribution of the silicon drift detector; determining an optimal drift path from point S1 to point S2 in the drift electric field and drift; determining the design of the rear surface of the silicon drift detector; design of floating electrode. The invention analyzes the SDD carrier drift behavior rule and the growth of the heavily doped electrode. Designing a double-sided electrode which has double-sided correlation, not only keeps a uniform electron drift electric field, but also provides a smooth drift track, and establishing an innovative design and manufacturing mode for efficiently collecting SDD with high energy resolution and high-efficiency of soft X-ray particles with the intensity of 0.5-15 keV. A layer of voltage dividing resistor is deposited between the electrodes of the concentric circular silicon drift detector by using the ALD technology, so that the concentric circular detector can normally work without an additional voltage divider.)

一种同心环型大面积硅漂移探测器、设计方法及应用

技术领域

本发明属于探测器技术领域，尤其涉及一种同心环型大面积硅漂移探测器、设计方法及应用。

背景技术

目前，最接近的现有技术：目前，国内脉冲星导航方面的核心技术-高能量分辨率单元及SDD阵列SDD的研究工作严重滞后。国内的研究主要集中于小面积单个SDD的制作工艺方面。国际上X射线探测器的研究，朝着具有低功耗、高能量分辨率的硅漂移室探测器技术方向发展，以满足X射线脉冲星自主导航授时系统高性能、大区域覆盖、高可用性的重大技术需求。在探测器家族中，同心环型探测器早已被使用，且性能较为优异，但是同心环型探测器存在面积小和需外接电阻分压的特性。目前国际上的SDD面积小且价格昂贵，而国内尚无成熟技术。

综上所述，目前存在的问题；

(1)在技术上需要改善探测器的结构，使其不需要外接分压器。

(2)目前国内的SDD研究也依然停留在小单元面积的阶段，在研的高校研究所以及企业均高度依赖进口，一旦大面积SDD单元的设计与制作技术瓶颈攻破，对于中国探测器的发展，以及应用探测器的各领域均会起到重要作用。

(3)小面积同心环状圆柱形探测器，虽然其对称性高，电学性能也好，但其组成的阵列死区过大，性能有所下降。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种同心环型大面积硅漂移探测器、设计方法及应用。

本发明是这样实现的，一种同心环型大面积硅漂移探测器的设计方法，所述同心环型大面积硅漂移探测器的设计方法包括以下步骤：

第一步，计算探测器的电极和电阻的宽度分布；

第二步，计算硅漂移探测器电场电压分布；

第三步，确定漂移电场和漂移时从点S1到点S2的最佳漂移路径；

第四步，确定硅漂移探测器后表面的设计；

第五步，漂浮电极的设计。

进一步，所述第一步计算探测器的电极和电阻的宽度分布，电压分布是由经过同心圆形状的重掺杂P型阴极提供的，P型重掺杂阴极是通过离子注入而形成，离子注入区域在径向r点的宽度是W_r ^cath，定义同心圆阴极在径向r的宽度；电阻在径向r点的宽度为W_i ^R，P₀是相邻阴极圈的间距使其一定值，G(r)是相邻注入区域的间隙，G₀为相邻电极与电阻之间的宽度是一定值；

其同心圆间距为：

P₀＝W_i ^cath+2G₀+W_i ^R；

电阻的阻值为；

其中i表示为第i圈，α与图形形状有关，表示该图形的周长，在该结构中它表示一段圆弧

ρ为电阻的电阻率；

得；

r₁为第一圈电阻的半径，W₁ ^R为第一圈电阻的宽度；

收集阳极的半径为：

r_i表示第i圈电阻的半径：

得；

得：

算出任意一圈电阻宽度和阴极宽度。

进一步，所述第二步计算硅漂移探测器电场电压分布，圆柱形硅漂移探测器的内部漂移电场与探测器的上下两个表面电势分布有关，圆柱形硅漂移探测器内部的任何一点(r，x，θ)的负电势应满足以下条件：

and

or

其中，x为探测器厚度方向的坐标，r为沿着圆柱形半径方向的坐标，θ为角坐标；

和φ(r)分别是前后表面的电势(x＝0和x＝d)：

and φ(r)＝φ(r,x＝d)；

由于在本设计中阴极环之间的分压电阻为一定值，所以ΔV＝constant，ΔV_A表示正面电势差，ΔV_B表示负面电势差：

t表示原子层沉积的厚度：

ρ_s为电阻的方块电阻率：

相邻阴极环之间的电压ΔV为；

ΔV＝RI＝EP₀＝constant；

IR(r)由欧姆定律得出，EP₀由电场积分得出，其中I是阴极的电流，E是表面电场；

把电阻环的几何形状及电流与SDD表面电场联系起来：

ρ_sαr_iI＝P₀EW_i ^R。

进一步，所述第三步确定漂移电场和漂移时从点S1到点S2的最佳漂移路径，根据方程

得到的表面电场分布为；

得；

其对应的反面电压的分布是由正面电压的分布来决定的，反面电场分布为：

其中V₁ ^B是反面第一圈阴极环所加电压，γ是一个常数；

SDD电子漂移通道中的漂移电场是；

或者：

E(r)是由方程ρ_sαr_iI＝P₀EW_i ^R确定，是由方程

确定。

进一步，所述第四步确定硅漂移探测器后表面的设计，由方程算出后表面电势：

后表面电场；

其余后表面参数与正面相同。

进一步，所述第五步漂浮电极

P₀＝G(r)+W_i ^cath；

有P₀＝W_i ^cath+2G₀+W_i ^R和P₀＝G(r)+W_i ^cath得；

G(r)＝2G₀+W_i ^R。

本发明的另一目的在于提供一种由所述同心环型大面积硅漂移探测器的设计方法得到的同心环型大面积硅漂移探测器，所述同心环型大面积硅漂移探测器包括：阳极电极、正面阴极电极、正面分压电阻、正面保护环、反面阴极电极、反面分压电阻、正反面保护环、基体、上表面的漂浮电极、下表面的漂浮电极、上表面二氧化硅层、下表面二氧化硅层。

进一步，所述阳极电极为重掺杂的N型半导体硅。

进一步，所述正面阴极电极为重掺杂的P型半导体硅；

所述反面阴极电极为重掺杂的P型半导体硅。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述同心环型大面积硅漂移探测器的X射线探测器。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明从新结构、新型工艺集成设计与光的粒子性理论计算方法入手，通过ALD技术解决了同心环工作必须外接电阻分压的问题。本发明是大面积同心环型硅漂移探测器，而且本设计的半径＞1cm，所以本设计的面积大于314mm²，远远大于小面积探测器的面积，其阵列中单位面积的性价比也高于小面积探测器。由于圆形的对称性最高，所以电学性能更好，结构中的电场电势分布更均匀，小面积的同心环型探测器半径在300μm左右，所以需组成阵列使用，但本结构设计的是大面积同心环型过漂移探测器，半径＞1cm，面积大于314mm²，远远大于小面积探测器的面积，无需组成阵列使用，解决了同心环状圆柱形探测器组成阵列时死区过大的问题。

本发明利用ALD沉积电阻使同心环型的探测器不需要外接电阻分压，螺旋环型探测器也有内分压的作用，但本结构设计要比螺旋环型的结构和性能更加优异且有区别；(1)螺旋环型探测器用螺旋环型的阴极环分压，而用ALD沉积电阻分压的同心环用电阻环分压，阴极环不参与分压。(2)螺旋环型探测器利用螺旋型阴极环分压对集体中的电场、电势和电压产生影响，而用ALD沉积电阻分压的同心环型探测器用电阻环分压，电阻环对集体中的电场、电势和电压不产生影响(电势均匀变化，电场为定值，阴极环之间的电压也为定值)。带有ALD电阻和漂浮电极的同心环形大面积硅漂移探测器设计方法如下；确定探测器的电极和电阻的宽度分布；确定硅漂移探测器前后表面的电场、电势；确定漂移电场和漂移时从点S1到点S2的最佳漂移路径；确定硅漂移探测器后表面的设计；确定漂浮电极。本结构主要是在新结构，新工艺方面入手，对SDD载流子漂移行为规律与重掺杂电极生长的分析。设计具有双面相关的既保持均匀电子漂移电场又提供平滑漂移轨迹的双面电极，建立强度在0.5～15keV软X射线粒子的高能量分辨率、高效收集SDD的创新设计制作方式。

本发明结构设计的是在同心圆型的硅漂移探测器电极之间沉积一层电阻，这样就可以使同心圆型的探测器在不需要外加分压器的情况下可以正常工作。在本设计中所有电极之间的电阻阻值R为定值，这样可实现均匀分压，即ΔV恒定。

附图说明

图1是本发明实施例提供的同心环型大面积硅漂移探测器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的同心环型大面积硅漂移探测器反面(即没有阳极的一面)的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的同心环型大面积硅漂移探测器的剖面示意图；

图中：1、阳极电极；2、正面阴极电极；3、正面分压电阻；4、正面保护环；5、反面阴极电极；6、反面分压电阻；7、正反面保护环；8、基体；9、上表面的漂浮电极；10、下表面的漂浮电极；11、上表面二氧化硅层；12、下表面二氧化硅层。

图4是本发明实施例提供的同心环型大面积硅漂移探测器的设计方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种同心环型大面积硅漂移探测器、设计方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1-图3所示，本发明实施例提供的同心环型大面积硅漂移探测器包括：阳极电极1、正面阴极电极2、正面分压电阻3、正面保护环4、反面阴极电极5、反面分压电阻6、正反面保护环7、基体8、上表面的漂浮电极9、下表面的漂浮电极10、上表面二氧化硅层11、下表面二氧化硅层12。

在本发明的优选实施例中，阳极电极1为重掺杂的N型半导体硅。

在本发明的优选实施例中，正面阴极电极2为重掺杂的P型半导体硅。

在本发明的优选实施例中，反面阴极电极5为重掺杂的P型半导体硅。

如图4所示，本发明实施例提供的同心环型大面积硅漂移探测器的设计方法包括以下步骤：

S401：计算探测器的电极和电阻的宽度分布；

S402：计算硅漂移探测器电场电压分布；

S403：确定漂移电场和漂移时从点S1到点S2的最佳漂移路径；

S404：确定硅漂移探测器后表面的设计；

S405：漂浮电极的设计。

本发明实施例提供的同心环型大面积硅漂移探测器的设计方法具体包括以下步骤：

(1)计算探测器的电极和电阻的宽度分布，电压分布是由经过同心圆形状的重掺杂P型阴极提供的，P型重掺杂阴极是通过离子注入而形成的。如图1所示，离子注入区域在径向r点的宽度是W_r ^cath，它定义同心圆阴极在径向r的宽度。电阻在径向r点的宽度为W_i ^R，P₀是相邻阴极圈的间距使其一定值，G(r)是相邻注入区域的间隙，G₀为相邻电极与电阻之间的宽度是一定值；

其同心圆间距为：

P₀＝W_i ^cath+2G₀+W_i ^R (1)

电阻的阻值为；

其中i表示为第i圈，α与图形形状有关，表示该图形的周长，在该结构中它表示一段圆弧

ρ为电阻的电阻率。

由(3)式可得；

r₁为第一圈电阻的半径，W₁ ^R为第一圈电阻的宽度。

收集阳极的半径为：

r_i表示第i圈电阻的半径：

将(5)式带入(3)式可得；

再将(6)式带入(1)式可得：

有以上各式可以算出任意一圈电阻宽度和阴极宽度。

(2)计算硅漂移探测器电场电压分布，圆柱形硅漂移探测器的内部漂移电场与探测器的上下两个表面电势分布有关，圆柱形硅漂移探测器内部的任何一点(r，x，θ)的负电势应满足以下条件：

其中，x为探测器厚度方向的坐标，r为沿着圆柱形半径方向的坐标，θ为角坐标。

和φ(r)分别是前后表面的电势(x＝0和x＝d)：

由于在本设计中阴极环之间的分压电阻为一定值，所以ΔV＝constant，ΔV_A表示正面电势差，ΔV_B表示负面电势差：

t表示原子层沉积的厚度：

ρ_s为电阻的方块电阻率：

相邻阴极环之间的电压(ΔV)为；

ΔV＝RI＝EP₀＝constant (14)

IR(r)由欧姆定律得出，EP₀由电场积分得出。其中I是阴极的电流，E是表面电场。

方程(13)和方程(14)把电阻环的几何形状及电流与SDD表面电场联系起来：

ρ_sαr_iI＝P₀EW_i ^R (15)

(3)确定漂移电场和漂移时从点S1到点S2的最佳漂移路径，根据方程(12)得到的表面电场分布为；

将(15)式代入(16)中可得；

其对应的反面电压的分布是由正面电压的分布来决定的，反面电场分布为：

其中V₁ ^B是反面第一圈阴极环所加电压，γ是一个常数。

SDD电子漂移通道中的漂移电场是；

或者：

E(r)是由方程(15)确定，

是由方程(17)确定。

(4)确定硅漂移探测器后表面的设计

由方程(18)可以算出后表面电势：

后表面电场；

其余后表面参数与正面相同，(如阴极环宽度，电阻宽度，阴极环间间距，电阻与阴极环间间距等都相同。

(5)漂浮电极

P₀＝G(r)+W_i ^cath (23)

有(1)和(23)可得；

G(r)＝2G₀+W_i ^R (24)

有(5)式可知，电阻宽度与半径成正比，所以随着半径的增大，电阻宽度也在增大，又因为G₀为定值，所以G(r)也与半径成正比，随着G(r)的增大，基体中心会出现电场为零的区域，为了避免该区域的出现，加入漂浮电极。漂浮电极是通过注入与阴极环相同的离子和浓度而形成的离子注入区。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。